600回繰り返された実験で進化の秘密へのヒントが見つかる

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三葉虫

研究室にある酵母の雪の結晶は、地球上の生命がどのようにして単細胞生物から多細胞生物に移行したかについての洞察を与えてくれます。

ヴェロニク・グリーンウッド著

アトランタの研究室では、何千もの酵母細胞が毎日命を懸けて戦っています。 別の日に生きたものは最も早く成長し、最も早く繁殖し、最大の塊を形成します。 約 10 年間、細胞は互いにぶら下がり、枝分かれした雪の結晶の形を形成するように進化しました。

これらの奇妙な雪の結晶は、単細胞生物が初めて団結して多細胞になった数百万年前に何が起こったのかを探る実験の中心です。 そのプロセスは、いかにうまくいかなかったとしても、最終的にはタコやダチョウ、ハムスターや人間といった、手に負えない、驚くほど奇妙な生物を生み出しました。

多細胞性は地球上の生命の歴史の中で少なくとも 20 回進化したと考えられていますが、生物がどのようにして単一の細胞から運命を共有する多数の細胞に移行するのかは明らかではありません。 しかし、水曜日にネイチャー誌に掲載された論文の中で、研究者らは、細胞がどのようにして体を構築し始めるのかについての1つの手がかりを明らかにした。 スノーフレーク酵母を作製したチームは、3,000世代を超えて酵母の塊が肉眼で見えるほど大きく成長したことを発見した。 その過程で、それらは柔らかくてふにゃふにゃした物質から、木のような丈夫さを持った物質へと進化しました。

ジョージア工科大学の教授であるウィル・ラトクリフ氏は、大学院に在籍していたときに酵母の実験を始めました。 彼は、12 バイアルの大腸菌を 75,000 世代以上にわたって培養し、1988 年以来個体群がどのように変化したかを記録したミシガン州立大学の生物学者リチャード・レンスキーと彼の同僚にインスピレーションを受けました。 ラトクリフ博士は、細胞同士がくっつくことを促す進化研究が多細胞性の起源を解明できるのではないかと考えた。

「私たちが知っている多細胞性を進化させた系統はすべて、数億年前にこのステップを踏みました」と彼は言う。 「そして、単一細胞がどのようにしてグループを形成するかについては、多くの情報がありません。」

そこで彼は簡単な実験を設定しました。 彼は毎日、試験管内で酵母細胞をかき混ぜ、底に沈んだ細胞を最も早く吸い上げ、それを翌日の酵母集団の増殖に使用しました。 彼は、最も重い個体や細胞の塊を選択すれば、酵母がくっつく方法を進化させるインセンティブが生まれるだろうと推論した。

そしてそれはうまくいき、60日以内にスノーフレーク酵母が出現しました。 これらの酵母が分裂するとき、突然変異のおかげで、それらは互いに完全には分離されません。 代わりに、それらは遺伝的に同一の細胞の分岐構造を形成します。 酵母は多細胞化していました。

しかし、ラトクリフ博士が調査を続ける中で、雪の結晶は決して大きくなることはなく、頑固に微細なままであることを発見しました。 同氏は、酸素またはその欠乏に関連した画期的な進歩をもたらしたのは、彼のグループの博士研究員であるオザン・ボズダーグ氏だと信じている。

多くの生物にとって、酸素は一種のロケット燃料として機能します。 糖に蓄えられたエネルギーにアクセスしやすくなります。

ボズダーグ博士は実験で一部の酵母に酸素を与え、酸素を利用できない変異を持つ他の酵母を増殖させた。 彼は、600 回の移し替えの過程で、酸素が不足した酵母のサイズが爆発的に増大したことを発見しました。 雪の結晶はどんどん大きくなり、最終的には肉眼で見えるようになりました。 構造を詳しく調べると、酵母細胞が通常よりもはるかに長いことが明らかになりました。 枝が絡み合って密な塊を形成していました。

この密度が、酸素が酵母の成長の妨げになっているように見える理由を説明するかもしれない、と科学者らは考えている。 酸素を利用できる酵母にとって、大きくなることは大きなマイナス面がありました。

雪の結晶が小さい限り、細胞は一般に酸素に平等にアクセスできます。 しかし、大きくて密な塊は、それぞれの塊内の細胞が酸素から遮断されていることを意味しました。

対照的に、酸素を利用できない酵母は失うものが何もないので、大きくなりました。 この発見は、クラスター内のすべての細胞に栄養を与えることが、生物が多細胞化する際に直面するトレードオフの重要な部分であることを示唆しています。

形成されたクラスターも硬いです。

「これらのものを破壊するために必要なエネルギーの量は、100万倍をはるかに超えて増加しています」とジョージア工科大学の教授で論文の共著者であるピーター・ユンカー氏は述べた。

その強さは、多細胞性の発達における次のステップ、つまり循環系のようなものの発達への鍵となるかもしれない、とラトクリフ博士は言う。 大きな塊の内側にある細胞が栄養素にアクセスするのに助けが必要な場合、体液の流れを導くのに十分な強さを持つ細胞が鍵となります。

「それは酵母菌の塊に消防ホースを撃ち込むようなものだ」とユンケル博士は言う。 細胞塊が弱い場合、各細胞に栄養が供給される前に、栄養素の流れによって細胞塊が破壊されてしまいます。

研究チームは現在、スノーフレーク酵母の高密度の塊がその最も内側の部分に栄養を届ける方法を開発できるかどうかを研究している。 もしそうなら、アトランタの試験管の中のこれらの酵母は、はるか昔、あなた方の祖先やあなたの周りの多くの生き物が最初に細胞から体を作り始めたときの様子について何かを教えてくれるかもしれません。

この記事の以前のバージョンでは、生物学者の所属が誤って記載されていました。 リチャード・レンスキーはミシガン大学ではなくミシガン州立大学にいます。

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